Question

17．研究CO₂的利用對促進低碳社會的構建具有重要的意義．
（1）已知拆開1mol H₂、1mol O₂和液態水中1mol O-H鍵使之成為氣態原子所需的能量分別為436kJ、496kJ和462kJ；CH₃OH（g）的燃燒熱為627kJ•mol^-1．則CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-93kJ•mol^-1
（2）將燃煤廢氣中的CO₂轉化為二甲醚的反應原理為：2CO₂（g）+6H₂（g）$\stackrel{催化劑}{?}$CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）
①該反應平衡常數表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）•{c}^{6}（{H}_{2}）}$．
②已知在某壓強下，該反應在不同溫度、不同投料比時，CO₂的轉化率如圖1所示．該反應的△H＜0，（填“＞”或“＜”）．若溫度不變，減小反應投料比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]，則K將不變（填“增大”、“減小”或“不變”）．
③某溫度下，向體積一定的密閉容器中通入CO₂（g）與H₂（g）發生上述反應，當下列物理量不再發生變化時，能表明上述可逆反應達到化學平衡的是ABC．
A．二氧化碳的濃度           B．容器中的壓強
C．氣體的密度               D．CH₃OCH₃與H₂O的物質的量之比
（3）向澄清的石灰水中通入CO₂至溶液中的Ca²⁺剛好完全沉淀時，則溶液中c（CO₃^2-）=2.8×10^-4mol/L．[已知：K_sp（CaCO₃）=2.8×10^-9]
（4）以甲醚、空氣、氫氧化鉀溶液為原料的燃料電池為電源，以石墨為電極電解500mL滴有酚酞的NaCl溶液，裝置如圖2所示：請寫出電解過程中Y 電極附近觀察到的現象Y電極附近溶液中有氣體產生，上部分呈黃綠色；當燃料電池消耗2.8L O₂（標準狀況下）時，計算此時：NaCl溶液的pH=14（假設溶液的體積不變，氣體全部從溶液中逸出）．

Answer 1

分析 （1）設反應的反應熱為xkJ•mol^-1，根據甲醇的燃燒熱寫出：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-627kJ•mol^-1 ，結合CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=xkJ•mol^-1利用蓋斯定律可得：3H₂（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=3H₂O（l）△H=-627kJ•mol^-1+kJ•mol^-1，再依據焓變△H=反應物拆化學鍵吸收的能量-生成物形成化學鍵放出的能量計算得到；
（2）①根據平衡常數等于生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積進行計算；
②根據溫度對平衡的影響分析△H的符號；平衡常數K只與溫度有關；
③當可逆反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，反應體現中各物質的物質的量、物質的量濃度及百分含量都不變，以及由此引起的一些物理量不變，據此分析解答；
（3）根據Ca²⁺剛好完全沉淀時，c（Ca²⁺）=1×10^-5mol/L以及Ksp=c（Ca²⁺）c（CO₃^2-）計算；
（4）惰性電極電解飽和食鹽水，Y電極是陽極，溶液中氯離子失電子生成氯氣；依據原電池和電解池中存在的電子守恒結合電極反應計算溶液pH．

解答 解：（1）設反應的反應熱為xkJ•mol^-1，根據甲醇的燃燒熱寫出：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-627kJ•mol^-1 ，結合CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=xkJ•mol^-1利用蓋斯定律可得：3H₂（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=3H₂O（l）△H=-627kJ•mol^-1+xkJ•mol^-1，即436kJ×3+496kJ×$\frac{3}{2}$-462kJ×6=-627kJ+xkJ，解得：x=-93；
故答案為：-93；    
（2）①平衡常數等于生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積，所以平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）•{c}^{6}（{H}_{2}）}$，故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）•{c}^{6}（{H}_{2}）}$；
②因為溫度越高，CO₂轉化率越小，則平衡逆移，所以該反應正方向為放熱反應，即△H＜0，K只受溫度影響，若溫度不變，減小投料比，則K不變，
故答案為：＜；不變；
③A．二氧化碳的濃度不變，則達到了平衡，故A選；
B．反應前后氣體的系數和不相等，當容器內壓強不再改變，則達到了平衡，故B選；
C．該反應是一個反應前后氣體體積變化的可逆反應，容器的體積不變，但反應前后氣體質量變化，氣體的密度不發生變化，則達到了平衡，故C選；
D．任何時候CH₃OCH₃與H₂O的物質的量之比不變，不能說明反應達到平衡，故D不選；
故答案為：ABC；
（3）向澄清的石灰水中通入CO₂至溶液中的Ca²⁺剛好完全沉淀時，c（Ca²⁺）=1×10^-5mol/L，則c（CO₃^2-）=$\frac{2.8×1{0}^{-9}}{1×1{0}^{-5}}$mol/L=2.8×10^-4mol/L；
故答案為：2.8×10^-4mol/L；
（4）電解池中Y電極為陽極，溶液中氯離子失電子發生氧化反應生成氯氣，現象是冒氣泡，上部溶液呈黃綠色；
當燃料電池消耗2.8LO₂（標準狀況下）物質的量=$\frac{2.8L}{22.4L/mol}$=0.125mol，電極反應為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，電子轉移為0.5mol，電解池中 陽極電極反應為4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，依據電子守恒溶液中減少氫氧根離子物質的量和增加的氫離子物質的量守恒，則溶液中氫離子濃度=$\frac{0.5mol}{0.5L}$=1mol/L，此時NaCl溶液的pH=14；
故答案為：Y電極附近溶液中有氣體產生，上部分呈黃綠色；14．

點評 本題主要考查了化學平衡的判斷、化學平衡常數、溶解平衡的計算以及熱化學方程式的書寫、原電池反應、電解池反應原理的應用判斷，注意把握從鍵能的角度以及蓋斯定律計算反應熱的方法，第（1）問難度較大．